商用車(chē)駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

曹文超

摘要：隨著目前對(duì)商用車(chē)品質(zhì)的要求越來(lái)越高，商用車(chē)的平順性問(wèn)題越發(fā)受到關(guān)注。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)汽車(chē)性能的研究和開(kāi)發(fā)起到了越來(lái)越重要的作用。駕駛室的懸置系統(tǒng)是影響平順性的重要方面，而通過(guò)對(duì)駕駛室的懸置參數(shù)優(yōu)化匹配可以達(dá)到提高商用車(chē)平順性和舒適性的目的。基于此，本文主要對(duì)商用車(chē)駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：商用車(chē)駕駛室；懸置系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言

目前商用車(chē)駕駛室懸置形式主要有兩種———半浮式懸置和全浮式懸置。商用車(chē)一般行駛在路況較差的路面上，司機(jī)駕駛時(shí)間較長(zhǎng)，容易導(dǎo)致疲勞，這樣會(huì)影響到駕駛的安全性；因此商用車(chē)的駕駛舒適性問(wèn)題逐漸引起了人們的關(guān)注。

1、整車(chē)模型與路面的建立和驗(yàn)證

1.1整車(chē)模型與路面的的建立

根據(jù)某款商用車(chē)拓?fù)潢P(guān)系及企業(yè)提供的主要參數(shù)，在ADAMS/Car中將半掛牽引車(chē)劃分為駕駛室系統(tǒng)、動(dòng)力總成、前懸架系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、貨箱、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和輪胎等子系統(tǒng)。依次對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)通訊器將各子系統(tǒng)進(jìn)行裝配，最后得到的半掛牽引車(chē)虛擬樣機(jī)模型。根據(jù)《機(jī)械振動(dòng)-道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》（GB7031—2005），推薦路面功率譜密度為

Gd（n）=Gd（n0）（n/n0）-w

式中：n為空間頻率（m-1）；n0=0.1m-1為參考空間頻率；Gd（n0）為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度，即路面不平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)，決定了路面功率譜密度的頻率結(jié)構(gòu)。

1.2整車(chē)模型驗(yàn)證

按照《汽車(chē)平順性試驗(yàn)方法》（GB/T4970—2009），樣車(chē)在滿載情況下分別以40，50，60，70，80km/h的車(chē)速在性能路面勻速行駛一段距離，并采集座椅椅墊上方、座椅靠背、腳背地板上的3個(gè)方向的振動(dòng)，按照隨機(jī)輸入行駛評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算得到綜合加權(quán)加速度均方根值。在ADAMS/Car中，對(duì)應(yīng)地采集滿載整車(chē)模型在B級(jí)路面上分別在40，50，60，70，80km/h速度下行駛的振動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到仿真綜合加權(quán)加速度均方根值。

2、商用車(chē)駕駛室懸置系統(tǒng)

2.1商用車(chē)駕駛室懸置振動(dòng)系統(tǒng)

考慮整車(chē)模型與優(yōu)化算法耦合時(shí)優(yōu)化仿真迭代時(shí)間長(zhǎng)、效率低的特點(diǎn)，本文在整車(chē)模型的基礎(chǔ)上單獨(dú)調(diào)出駕駛室懸置系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化匹配。此商用車(chē)的駕駛室采用全浮式駕駛室，在懸置4點(diǎn)處采集加速度信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。

駕駛室振動(dòng)問(wèn)題比較復(fù)雜，需要根據(jù)具體的研究問(wèn)題簡(jiǎn)化振動(dòng)系統(tǒng)，使之能夠反映駕駛室振動(dòng)特性。首先建立駕駛室懸置系統(tǒng)。視駕駛室主要部件為剛體。實(shí)車(chē)中存在大量的連接襯套，這些襯套都是非線性材料的橡膠襯套，在建模時(shí)需要對(duì)橡膠襯套進(jìn)行線性處理。

2.2建立駕駛室多體動(dòng)力學(xué)模型

通過(guò)駕駛室懸置振動(dòng)系統(tǒng)的分析，需要在ADAMS中建立駕駛室的動(dòng)力學(xué)模型。在ADAMS中對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模，模型包括駕駛室前懸置、后懸置、座椅、駕駛員等。部件之間通過(guò)線性襯套連接。

3、駕駛室懸置系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化

3.1多島遺傳算法（MIGA）

遺傳算法（geneticalgorithm）是一類(lèi)基于生物界的適者生存的進(jìn)化規(guī)律演化而來(lái)的隨機(jī)化搜索方法。選擇算子、交叉算子、變異算子是遺傳算法的主要3個(gè)進(jìn)化算子。在遺傳算法在應(yīng)用過(guò)程中容易產(chǎn)生早熟現(xiàn)象，將嚴(yán)重地影響遺傳算法的應(yīng)用效果。

本文采用島嶼模型進(jìn)行子群體之間信息的偽并行算法（即多島遺傳算法）。它有別于傳統(tǒng)遺傳算法，把種群分為若干個(gè)子種群，這些子種群被稱(chēng)為“島嶼”。在每個(gè)“島嶼”上按照傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行獨(dú)立的選擇、交叉、變異。定期在各個(gè)島嶼上隨機(jī)選擇一些個(gè)體“遷移”到別的“島嶼”上，通過(guò)遷移周期和遷移率這2個(gè)參數(shù)來(lái)控制整個(gè)遷移過(guò)程。通過(guò)多島遺傳算法的“島嶼”與“遷移”策略的控制，可加強(qiáng)全局搜索能力，避免局部最優(yōu)。

3.2多集成系統(tǒng)優(yōu)化

本文基于Isight平臺(tái)，集成軟件ADAMS、Matlab及多島遺傳算法，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算在三者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，得到最優(yōu)解集。

3.3優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

由于影響駕駛室隔振因素很多，本文取主要影響因子作為試驗(yàn)因子。在此選擇駕駛室前懸置系統(tǒng)的剛度與阻尼、駕駛室后懸置系統(tǒng)的垂向橫向減震器剛度與阻尼，以及橫向垂向減震器上點(diǎn)位置坐標(biāo)共8個(gè)設(shè)計(jì)變量。駕駛室懸置系統(tǒng)的約束條件為前后懸置的動(dòng)擾度。參照企業(yè)試驗(yàn)車(chē)輛駕駛室懸置系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，將動(dòng)撓度設(shè)為小于50mm。

采用駕駛室綜合加權(quán)加速度均方根值以及座椅俯仰角和座椅側(cè)傾角的角加速度均方根值作為整車(chē)行駛平順性?xún)?yōu)化目標(biāo)，并考慮后懸置橫向和垂向減振器之間夾角對(duì)駕駛室隔振的影響。其中夾角大小通過(guò)后懸置減振器的位置坐標(biāo)來(lái)控制。

3.3.1模型參數(shù)設(shè)計(jì)

通過(guò)駕駛室懸置系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型確定設(shè)計(jì)變量時(shí)，應(yīng)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)能力、保證模型達(dá)到靜平衡以及懸置設(shè)計(jì)的基本原則確定設(shè)計(jì)變量的比例范圍，如表1所示。

多島遺傳算法通過(guò)控制遷移率和遷移周期兩個(gè)變量保證種群的多樣性，以此提高全局收斂性。遷移率是指島上種群有多大的概率進(jìn)行遷移。遷移周期是指被選中的個(gè)體需要多久將遷往到其他島嶼。遷移率和遷移周期分別設(shè)定為0.01和5。

3.3.2目標(biāo)比例因子的選取

在對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)，需要考慮目標(biāo)比例因子的選取。在ISIGHT下進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)會(huì)將所有目標(biāo)取其加權(quán)和作為ISIGHT總的目標(biāo)函數(shù)Objective：Objective=Sum（WF*Xi/SF）式中：WF為權(quán)重因子；SF為比例因子；Xi為目標(biāo)值。

當(dāng)多目標(biāo)在不同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其中某一目標(biāo)起的作用很小，甚至可以忽略。要想使用ISGHT恰當(dāng)?shù)厍蠼舛嗄繕?biāo)優(yōu)化問(wèn)題，就必須定義合適的權(quán)重與比例因子。目標(biāo)值比例因子設(shè)置如表1所示。

3.3.3后懸置減振器夾角對(duì)駕駛室隔振的優(yōu)化分析

通過(guò)改變駕駛室后懸置水平和垂向減震器上點(diǎn)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的位置改變水平和垂向夾角。隨著后懸置之間的夾角越來(lái)越大，綜合總加權(quán)加速度均方根值的分布也越來(lái)越集中，并且越來(lái)越小，可近似認(rèn)為后懸置水平和垂向之間的夾角和駕駛室加權(quán)加速度均方根值成反比的關(guān)系。當(dāng)后懸置減振器夾角達(dá)到70°～80°時(shí)，綜合總加權(quán)加速度基本趨于最小值，并趨于收斂。

4、結(jié)語(yǔ)

考慮到多目標(biāo)之間的矛盾性，根據(jù)權(quán)重系數(shù)與比例系數(shù)對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行決策優(yōu)化分析。結(jié)果表明：俯仰特性幅值平均下降22.3%；側(cè)傾特性幅值平均下降25.5%；綜合加權(quán)加速度均方根值平均下降10.7%。駕駛室懸置系統(tǒng)的性能得到了很好的提高，提高了商用車(chē)的舒適性，具有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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